电力电子技术-第七章软开关

第七章

软开关技术引言软开关的基本概念软开关电路的分类典型的软开关电路本章小结1第七章

软开关技术•

引言现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。27.1

软开关的基本概念一.硬开关和软开关二.零电压开关和零电流开关3一.

硬开关和软开关硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了

。电压、电流变化很快，波形出tui0P0a）硬开关的开通过程

b）硬开关的关断过程图7－1

硬开关的开关过程uituuii0P0u,

i0uitontoffp现明显得过冲，导致开关噪声。04热学限制在容性开通和感性关断情况下，电力电子器件将承受很大的动态功耗。一般地，一个开关周期内器件的平均开关损耗将占到总平均损耗的30%～40%，同时这种损耗随开关频率的提高而增大。过大的开关损耗将使得器件结温上升，结温的升高制约了开关频率的提高。二次击穿限制在软、硬开关的开关过程中，GTR的开关轨迹如图所示。由图可知，GTR承受的电流、电压会出现同时为最大值的情况，这时的电流和电压已经远远超出GTR的

区。图GTR在软、硬开关状态时的开关轨迹硬开关的局限性5电磁干扰限制在高频状态下运行时，电力电子器件本身的极间电容将成为极为重要的参数。尤其对MOSFET来说，因为其门极采用了绝缘栅结构，它的极间电容较大，因此引起的开关能量损耗和效应更为严重。缓冲电路的限制在

硬性开关应用中，往往通过加入串联或(和)并联缓冲电路，以限制器件开通时的di/dt和关断时的du/dt，从而使器件的动态开关轨迹处于直流

区域之内，以保证开关器件的安全运行。但是，这种方法将使开关期间的开关损耗转移到缓冲电路之中，最终还是被白白地消耗掉，系统总的功耗不会减小。较高的工作频率和较大容量的开关器件会出现很可观的

功率损耗。这种做法使系统的效率难以提高，因此工作频率也难以提高。此外，组成缓冲电路的器件又有一定的特殊性，因此给制造和使用带来不便。由于种种限制，

硬性开关电路在高频运行时的局限性很大。硬开关的局限性6一.

硬开关和软开关降低开关损耗和开关噪声。uiui0P0ttuiui0P0tta）软开关的开通过程

b）软开关的关断过程图7－2

软开关的开关过程u,

i软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流0的。uitontoffp07串联谐振电路及其电流和电压图谐振频率为:1or

rLC

谐振阻抗为:o8rLrZ

C表现容性阻抗并联谐振电路及其频率特性谐振频率为:o

r

rLC谐振阻抗为:orLrZ

C品质因数为:0

L

r90

r0

rRL

RLQ

R

C

L Z

L表现容性阻抗或感性阻抗取决于频率10二.

零电压开关和零电流开关0tontoff零电压开通开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。零电流关断开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现。u,

iui零电压关断与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。零电流开通与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。简单的利用并联电容实现零电压关断和利用串联电感实现零电流开通一般会给电路造成总损耗增加、关断过电压增大等影响，因此是得不偿失的。常与零电压开通和零电流关断配合使用当不 是开通或是关断，仅称零电压开关和零电流开关。靠电路中的谐振来实现。11零电压开关（零电压开通）

使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声零电流开关（零电流关断）

使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声零电压关断

与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速度，降低关断损耗零电流开通

与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速度，降低开通损耗127.2

软开关电路的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零电压电路和零电流电路两大类。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关

电路和零转换

电路。每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不路，可以从基本开关单元导出具体电路。137.2

软开关电路的分类图7－3基本开关单元的概念a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元147.2

软开关电路的分类分别介绍三类软开关电路1.准谐振电路准谐振电路－准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制（Pulse

FrequencyModulation—PFM）方式来控制。15优点谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声下降缺点谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大谐振周期随输入电压、负载变化而改变，电路只能采用脉冲频率调制方式来控制准谐振准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波16软开关是由电力电子开关器件S及辅助谐振元件Lr和Cr组成的子电路，如图8.3所示。图(a)为零电流开关(ZCS)，也称为电流型开关。图(b)为零电压开关(ZVS)，也称为电压型开关。177.2

软开关电路的分类用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant

DC

Link）。c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元图7-4准谐振电路的基本开关单元(Zero-Voltage-Switching

Multi-ResonantConverter—ZVS

MRC）b)零电流开关准谐振电路的基本开关单元a)零电压开关准谐振电路的基本开关单元可分为：零电压开关准谐振电路(Zero-Voltage-SwitchingQuasi-Resonant

Converter—ZVS

QRC）零电流开关准谐振电路

(Zero-Current-SwitchingQuasi-ResonantConverter—ZCS

QRC）电压开关多谐振电路187.2

软开关电路的分类2.零开关

电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零

负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流开关 电路的基本开关单元图7－5

零开关

电路的基本开关单元电路（Zero-Current-Converter—ZCSa)零电压开关 电路的基本开关单元电路可以分为：电路（Zero-Voltage-Converter—ZVS零开关零电压开关Switching）零电流开关Switching）19零电压开关零电流开关电路电路分为2．零开关电路优点电压和电流基本是开关承受的电压降低电路可采用开关频率固定的控制引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后207.2

软开关电路的分类3.零转换

电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。零转换 电路可以分为：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。b）零电流转换

电路的基本开关单元电路图7－6零转换的基本开关单元电路（Zero-CurrentConverter—ZVT零电流转换Transition）电路a）零电压转换的基本开关单元零电压转换 电路（Zero-Voltage-TransitionConverter—ZVT

）213．零转换电路采用辅助开关控制谐振的开始时刻，谐振电路是与主开关并联分为零电流转换零电压转换电路电路优点输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响小，电路在很宽的输入电压范围内，从零负载到满载都能工作在软开关状态电路中无功功率的交换被削减到最小227.3

典型的软开关电路一.零电压开关准谐振电路二.谐振直流环电路三.移相全桥型零电压开关四.

零电压转换

电路23一.零电压开关准谐振电路1.电路结构以降压型为例分析工作原理。假设电感L和电容C很大，可等效为电流源和电压

源，并忽略电路中的损

耗。图7-7

零电压开关准谐振电路原理图选择开关S关断时刻为分析的起点。24一.零电压开关准谐振电路0

1

0t

~t

时段：t

之前，开关S为通态，二极管VD为断态，uCr=0，iLr=IL

，t0时刻S关断，与其并联的电容Cr使S关断后电压上升减缓，因此S的关断损耗减小。S关断后，VD尚未导通。电感Lr+L向Cr充电，

uCr线性上升，同时VD两端电压

uVD逐渐下降，直到t1时刻，VD

Cru

=0，VD导通。这一时段u

的上升率：d

t

Crd

uCr

I

L2.工作原理t0~t1时段的等效电路S(uC

r)tt t

t t

t

t

t0

1

2 3

4

5

6

0tttttOOuVDOiLrOiSSO图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形25图7-7

零电压开关准谐振电路原理图一.零电压开关准谐振电路t1~t2时段：t1时刻二极管VD导通，电感L通过VD续流，Cr、Lr、Ui形成谐振回路。t2时刻，iLr下降到零，uCr达到谐振峰值。t2~t3时段：t2时刻后，Cr向Lr放电，直到t3时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐振峰值。t

~t

时段：t

时刻以后，L

向C3

4

3

r

r反向充电，uCr继续下降，直到t4时刻uCr=0。t1~t2时段的等效电路图7-7

零电压开关准谐振电路原理图St

0

t1

t2

t3t4

t5

t6t0tttttOOuVDOiLrOiSOuS(uC

r)图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形26一.零电压开关准谐振电路t4~t5时段：uCr被箝位于零，iLr线性衰减，直到t5时刻，iLr=0。由于此时开关S两端电压为零，所以必须在此时开通S，才不会产生开通损耗。t5~t6时段：S为通态，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=IL，VD关断。6

0t

~t

时段：S为通态，VD为断态。St

0

t1

t2

t3t4

t5

t6t0tttttOOuVDOiLrOiSOS(uC

r)图7-7

零电压开关准谐振电路原理图图7-8零电压开关准谐振电路的理想波形27零电压开关准谐振电路t1~t4时段的谐振过程定量分析通过求解式（7-2）可得开关S的电压uS开关S承受的峰值电压11

4,

t

[t

,

t

]r

rri1r

(t

t

)

UrL

CCLrLuCr

(t)

I

sin

（7-4）irp

UCLr

IU

L（7-5）缺点：谐振电压峰值将高于输入电压Ui的2倍，增加了对开关器件耐压的要求。缺点28二.谐振直流环1.电路结构谐振直流环电路应用于交流-直流-交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下(零电压开通)。图7-11谐振直流环电路原理图由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路等效为图7-12。图7-12

谐振直流环电路的等效电路29二.谐振直流环iLruCrILUinttOt0

t1

t2

t3

t4

t0O图7-13

谐振直流环电路的理想化波形图7-12

谐振直流环电路的等效电路2.工作原理t

0~t1时段：t0时刻之前，开关

S处于通态，iLr>IL。t0时刻S关断，电路中发生谐振。iLr对Cr充电，t1时刻，uCr=Ui。t1~t2时段：t1时刻，谐振电流

iLr达到峰值。t1时刻以后，iLr继续向Cr充电，直到t2时刻

iLr=IL，uCr达到谐振峰值。30二.谐振直流环t2~t3时段：uCr向Lr和L放电，

iLr降低，到零后反向，直到t3时刻

uCr=Ui。t3~t4时段：t3时刻，iLr达到反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，

t4时刻，uCr=0，S的反并联二极管VDS导通，uCr被箝位于零。t4~t0时段：S导通，电流iLr线性上升，直到t0时刻，S再次关断。t0

t1t2

t3

t4

t0iLruCrUinILttOO图7-12

谐振直流环电路的等效电路了对开关器件耐压的要求。图7-13

谐振直流环电路的理想化波形31电压谐振峰值很高，增加三.

移相全桥型零电压开关

电路移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。图7-14移相全桥零电压开关电路32三.移相全桥型零电压开关电路S1S3ABiVD2iLt

t

t

t

t1

2

3

4

5t

t

t

t

t6

7

8

9

0t

t

t8

9

0ttttttttttttOOO

iVD1uROOuT1

OOuLr

OiLrOuS4OS2OO1.移相全桥电路控制方式的特点：在开关周期TS内，每个开关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于TS/2；同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。图7-14

移相全桥零电压开关电路图7-15

移相全桥电路的理想化波形33三.

移相全桥型零电压开关电路互为对角的两对开关S-S1

4和S2-S3，S1的波形比S4超前0~TS/2时间，而S2

的波形比S3

超前0~TS/2时间，1

2因此称S

和S

为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。图7-14移相全桥零电压开关电路S1S3S2ABiVD2iLt

t

t

t

t1

2

3

4

5t

t

t

t

tt

t

t8

9

0 6

7

8

9

0ttttttttttttOOO

iVD1uROOuT1

OOuLr

OiLrOuOS4OO图7-15

移相全桥电路的理想化波形34三.

移相全桥型零电压开关电路2.工作过程：t0~t1时段：S1与S4导通，直到t1时1刻S

关断。S2S3S4CS1CS4CS2CS3VD2LrLS1

ABUiVD1

uRC

R+-移相全桥电路在t0~t1阶段的工作状态S

1S

3S

2ABu

Lru

T1u

RiVD2i

Lt1

t2

t

3

t4

t5t8

t

9

t

0

t

6

t7

t

8

t

9

t

0ttttttttttttOOO

iVD1OOOOi

LrOOuOS

4OO图7-15

移相全桥电路的理想化波形351

2

1

1t

~t

时段：t

时刻开关S

关断后，电容Cs1、Cs2与电感Lr、L构成谐振A

A回路，u

不断下降，直到u

=0，VDS2导通，电流iLr通过VDS2续流。S1SS32

4S

CS4CS3VD21CS1LrLABUiVD

uRC

R+-1

2图7-16移相全桥电路在t

~t

阶段的等效电路S

1S2u

Lru

T1iVD1iVD2iLt1

t2

t3

t

4

t5t

6

t7

t8

t9

t

0t8

t

9

t

0ttttttttttttOOOu

ROOOOi

LrOS

3Ou

ABS

4OOO移相全桥电路在t1~t2阶段的工作状态图7-15

移相全桥电路的理想化波形362

3

2

2t

~t

时段：t

时刻开关S

开通，由S2于此时其反并联二极管VD

正处于导通状态，因此S2为零电压开通。虽然S2开通，但S2没有电流流过S2原边电流仍由VD

流通。S

1S

3S

2ABu

Lru

T1iVD1iVD2iLt1

t2

t3

t

4

t5t

6

t7

t8

t9

t

0t8

t

9

t

0ttttttttttttOOOu

ROOOOi

LrOOuOS

4OOS1S3S2

S4CS1CS4CS3VD2LrL

ABUiVD

u1

RC

R+-移相全桥电路在t2~t3阶段的工作状态图7-15

移相全桥电路的理想化波形37t3~t4时段：t3时刻开关

S4关断后，变压1

2器二次侧VD

和VD

同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此C

、C

与L

构成谐振回路。Ls3

s4

r

r的电流不断减小，B点电压不断上升，3

S3直到S

的反并联二极管VD

导通。这种43

3状态维持到t

时刻S

开通。因此S

为零电压开通。图7-17移相全桥电路在t3~t4阶段的等效电路S1S3S4uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt

t

t

t

t1

2

3

4

5t

t6

7

t8

t9

t0t

t

t08

9ttttttttttttOOOOOOOOOOS2OO图7-15

移相全桥电路3的8理想化波形S3CS2

S4

S4CS3VD2CS1LrS1

ALBUiVD1

uRC

R+-移相全桥电路在t3~t4阶段的工作状态三.

移相全桥型零电压开关电路t4~t5时段：S3开通后，Lr的电流继续减小。iLr下降到零后反向增大，t5时刻Lr

L

Ti

=I

/k

，变压器二次侧1VD

的电流下降到零而关断，电流IL全部转移到VD2中。0

5t

~t

是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。S1S3S2ABiLriVD2iLt8

t9

t0

t1

t2

t3

t4t5

t6

t7

t8

t9

t0ttttttttttttOOO

iVD1uROOuT1

OOuLr

OOuOS4OO图7-15

移相全桥电路的理想化波形S3S2

S4CS1CS4CS3VD21LrLS1

ABVD

uRUiC

R+-CS2移相全桥电路在t4~t5阶段的工作状态39四.

零电压转换

电路图7-18升压型零电压转换 电路的原理图SS1uSiS1uS1iDiSILttttttttOOOOOOiLrOOt0

t1

t2

t3

t4

t5图7-19升压型零电压转换电路的理想化波形零电压转换 电路具有电路简单、效率高等优点。基本思路：开关S关断时，与之并联的缓冲电容Cr限制电压的上升率，实现零电压关断；开关S开通时，必须将Cr上的电荷到零，以实现零电压导通。为此需要附加一个辅助电路（Lr，VD1和S1），辅助电路在S完成零电压开通后，立即停止工作。40四.

零电压转换电路1.工作过程：辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。t0~t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长，VD中的电流以同样的速率下降。t1时Lr

L刻，i

=I

，VD中电流下降到零，关断。图7-18升压型零电压转换 电路的原理图SS1uSiS1uS1iDiSILt0

t1

t2

t3

t4t5ttttttttOOOOOOiLrOOSS1Lr

CrVD1VDUi+C

UoILLiLriVDVDSR图7-19升压型零电压转换电路的理想化波形41t0~t1阶段的工作状态四.零电压转换电路t1~t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻

uCr=0，VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。图

7-20

升压型零电压转换 电路在t1~t2时段的等效电路图7-18升压型零电压转换 电路的原理图SS1uSiS1uS1iDiSILttttttttOOOOOOiLrOOt0

t1

t2

t3

t4

t5图7-19

升压型零电压转换电路的理想化波形LSS1LrCrVD1Ui+C

UoILVD